4 基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)線運(yùn)行模式發(fā)展趨勢

毫無疑問，自動化技術(shù)是智能制造發(fā)展的重要支撐技術(shù)之一。一直以來很多企業(yè)將自動化線建設(shè)視為智能制造的重要抓手，并且涌現(xiàn)出了一些“黑燈生產(chǎn)”、“無人工廠”的示范案例。但目前企業(yè)較為常見的自動化生產(chǎn)線，更多的體現(xiàn)為物流周轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上的聯(lián)動動作時序的協(xié)調(diào)，可以視之為一系列離散硬件裝置在特定動作序列約束下運(yùn)行的生產(chǎn)線。傳統(tǒng)的自動線是通過PLC梯形程序進(jìn)行控制，或者通過專門的工控軟件進(jìn)行控制，不僅控制正常的流程，也具有一定程度的異常處理控制能力。

因此，本文結(jié)合目前很多企業(yè)在上馬自動化線或已經(jīng)建成自動化線的局面下，如何進(jìn)行智能化提升，也是不得不和必須面對的問題，尤其是是數(shù)字孿生技術(shù)在其中的體現(xiàn)。本部分從兩個方面論述：一是德國工業(yè)4．0關(guān)于自動化柔性線的數(shù)字孿生內(nèi)涵；二是融合軟件定義制造思想的自動化柔性線數(shù)字孿生發(fā)展趨勢。

4．1 德國工業(yè)4．0關(guān)于自動化柔性線運(yùn)行的數(shù)字孿生內(nèi)涵

圖4是德國工業(yè)4．0的典型資料圖片，其所表達(dá)的含義是生產(chǎn)線中所有的硬件單元都有對應(yīng)的軟件形式的服務(wù)，比如傳感器服務(wù)、控制服務(wù)、通訊服務(wù)、校驗(yàn)服務(wù)、信息服務(wù)等，整個CPS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就是一個服務(wù)連接網(wǎng)絡(luò)，具有“服務(wù)聯(lián)網(wǎng)”的概念，這些服務(wù)有層次并且能夠動態(tài)組合配置［4］。所謂的智能管控，體現(xiàn)為硬件資源的離散化，通過服務(wù)化封裝，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)資源鏈條的重構(gòu)與控制，并可以進(jìn)一步的支持“軟件定義制造”理念的落地。其在自動化生產(chǎn)線硬件之上構(gòu)建的服務(wù)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，具有明確的數(shù)字孿生內(nèi)涵。

圖3德國工業(yè)4．0關(guān)于自動化柔性線的管控思路

4．2 融合軟件定義制造思想的自動化柔性線數(shù)字孿生發(fā)展趨勢

德國工業(yè)4．0所倡導(dǎo)的自動化柔性線智能管控核心是實(shí)現(xiàn)資源的柔性配置，而這種配置的手段也是面向智能制造的APS的重要發(fā)展方向。融合軟件定義制造思想的自動化柔性線數(shù)字孿生發(fā)展趨勢如下所述。

（1）自動線構(gòu)成要素裝置的CPS獨(dú)立控制能力的發(fā)展

對于自動化產(chǎn)線線而言，一般都是連續(xù)的沒有間斷的按照時序執(zhí)行動作。但這些動作時序的執(zhí)行，也是需要依靠一些構(gòu)成要素裝置的，比如閥、泵乃至機(jī)床及其內(nèi)部的執(zhí)行動作部件等，或者是各種集成程度的獨(dú)立裝置等。對這些要素按照能夠狀態(tài)反饋、指令執(zhí)行的方式，進(jìn)行改造和提升，為后續(xù)的智能化柔性控制提供支持。

（2）硬件裝置構(gòu)成要素的必要性聯(lián)動控制能力的發(fā)展

這種聯(lián)動控制并不是限定自動化產(chǎn)線中某兩個裝置的固定時序，其核心目的是增加柔性，目標(biāo)是自動線上任何需要建立關(guān)聯(lián)的構(gòu)成要素裝置能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動控制。這方面的分析可以從產(chǎn)品的工藝流程角度入手，按照生產(chǎn)過程中各個構(gòu)成要素裝置時序關(guān)系進(jìn)行分析。

（3）以產(chǎn)品性能保證為核心的工藝知識沉淀及物化能力的發(fā)展

產(chǎn)線對產(chǎn)品性能保證的技術(shù)提升無止境的，根據(jù)需要可以分析產(chǎn)品的性能指標(biāo)的保證機(jī)制，比如引入機(jī)器視覺、比如引入自適應(yīng)加工等，豐富自動線運(yùn)行的知識基礎(chǔ)上的智能化內(nèi)涵。

（4）多產(chǎn)品混線生產(chǎn)的關(guān)聯(lián)控制與協(xié)調(diào)能力的發(fā)展

只有當(dāng)自動線能夠支持多產(chǎn)品混線生產(chǎn)，自動線能夠提供柔性的關(guān)聯(lián)控制與協(xié)調(diào)能力，才能說這條線具有智能化體現(xiàn)。比如自動數(shù)控加工線，可以自動的獲取狀態(tài)并進(jìn)行分析，可以下發(fā)指令進(jìn)行硬件裝置的工作參數(shù)調(diào)整；比如自動數(shù)控加工線，根據(jù)需要為不同的硬件裝置傳遞不同的數(shù)控程序；比如不同產(chǎn)品的工藝流程不同，可以通過柔性的聯(lián)動控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)路徑的快速轉(zhuǎn)換，以及不同品種產(chǎn)品在自動線上的混流交叉生產(chǎn)。

（5）基于APS的軟硬一體化控制的柔性控制的發(fā)展

如果自動線只是生產(chǎn)一種產(chǎn)品，則所有的硬件要素裝置鎖定了某種動作指令序列而已。但如果自動線是多品種混線的，則動作指令序列將具有復(fù)雜的組合聯(lián)調(diào)配置要求。如果這種組合判斷比較簡單，可以通過PLC或工控軟件來實(shí)現(xiàn)。但如果這種組合判斷比較復(fù)雜，尤其是加入了智能化體現(xiàn)的分析、推理、決策等內(nèi)容，單純的狀態(tài)0－1式或閾值式判斷將無法滿足需求，需要引入復(fù)雜軟件系統(tǒng)的形式進(jìn)行控制，才能滿足需求。并且，這種復(fù)雜軟件控制系統(tǒng)，面對多產(chǎn)品混流生產(chǎn)的復(fù)雜的生產(chǎn)過程，將是目前傳統(tǒng)的APS向軟硬一體化緊密關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)控制的重要轉(zhuǎn)變和發(fā)展方向。

5 結(jié)束語

智能生產(chǎn)管控是提高制造企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行效能的追求目標(biāo)，數(shù)字孿生技術(shù)與智能生產(chǎn)管控具有內(nèi)在統(tǒng)一的有機(jī)聯(lián)系，是推動智能生產(chǎn)管控落地的關(guān)鍵使能技術(shù)。

（1）分析了智能生產(chǎn)管控的實(shí)時狀態(tài)感知、分析推理決策和閉環(huán)控制執(zhí)行的特點(diǎn)；

（2）通過對標(biāo)數(shù)字孿生技術(shù)內(nèi)涵與智能生產(chǎn)管控需求特征，實(shí)現(xiàn)了兩者之間有機(jī)融合；

（3）提出了基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)管控應(yīng)用的兩個重點(diǎn)：智能制造服務(wù)化智能配置管理決策和自適應(yīng)智能加工工藝決策；

（4）結(jié)合我國制造業(yè)自動化產(chǎn)線建設(shè)的需求，結(jié)合德國工業(yè)4．0理念，融合了軟件定義制造思想，給出了基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)線運(yùn)行模式發(fā)展趨勢的判斷。

參考文獻(xiàn)：

［1］制造強(qiáng)國戰(zhàn)略研究項(xiàng)目組． 制造強(qiáng)國戰(zhàn)略研究：智能制造專題卷［M］． 北京：電子工業(yè)出版社，2015．

［2］陶飛，程穎、程江峰等人，數(shù)字孿生車間信息物理融合理論與技術(shù)［J］．計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2017，23（8）：1603－1611． DOI：10．13196／j．cims．2017．08．001

［3］ 王愛民．制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）實(shí)現(xiàn)原理與技術(shù)［M］．北京：北京理工大學(xué)出版社，2014．

［4］ 國務(wù)院發(fā)展研究中心課題組． 借鑒德國工業(yè)4．0推動中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級［M］． 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018．